[论文解读] Annealing-induced long-range charge density wave order in magnetic kagome FeGe: fluctuations and disordered structure

Chenfei Shi, Liu Yi+19 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2023

Physics of Superconductivity and MagnetismPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究证明，退火后处理可在磁性kagome结构FeGe中诱导出长程电荷密度波（CDW）序，通过单晶X射线衍射解析了CDW的结构起源。研究识别出Ge占据无序性以及沿c轴的部分二聚化是关键机制，揭示了即使在长程CDW相中也存在动态CDW涨落和无序构型。

ABSTRACT

Charge density wave (CDW) in kagome materials with the geometric frustration is able to carry unconventional characteristics. Recently, a CDW has been observed below the antiferromagnetic order in kagome FeGe, in which magnetism and CDW are intertwined to form an emergent quantum ground state. However, the CDW is only short-ranged and the structural modulation originating from it has yet to be determined experimentally. Here we realize a long-range CDW order by post-annealing process, and resolve the structure model through single crystal x-ray diffraction. Occupational disorder of Ge resulting from short-range CDW correlations above $T_\mathrm{CDW}$ is identified from structure refinements. The partial dimerization of Ge along the $c$ axis is unveiled to be the dominant distortion for the CDW. Occupational disorder of Ge is also proved to exist in the CDW phase due to the random selection of partially dimerized Ge sites. Our work provides useful insights for understanding the unconventional nature of the CDW in FeGe.

研究动机与目标

• 理解磁性kagome结构FeGe中电荷密度波（CDW）序的结构起源，其中CDW与磁性相互耦合。
• 解决长期以来关于FeGe中CDW相关结构调制的模糊性，特别是原生样品中缺乏长程序的问题。
• 研究Ge占据无序性和晶格畸变在稳定CDW相中的作用。
• 阐明CDW涨落和无序构型在T_CDW以上和以下的性质。
• 通过高分辨率单晶X射线衍射建立FeGe中CDW的结构模型。

提出的方法

• 对FeGe单晶进行退火处理，以稳定长程CDW序。
• 采用单晶X射线衍射测定原子结构并识别晶格畸变。
• 通过结构精修量化沿c轴的Ge占据无序性和部分二聚化程度。
• 分析温度依赖的结构变化，以探测T_CDW以上CDW涨落。
• 比较正常相与CDW相的结构模型，识别主导畸变。
• 利用XRD数据确认即使在长程有序相中也存在动态无序CDW构型。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些结构畸变导致了FeGe中的CDW序？其在短程与长程CDW相中如何不同？
• RQ2 退火处理如何影响FeGe中长程CDW序的出现？
• RQ3 Ge占据无序性在CDW相中持续存在的程度如何？其对CDW稳定性有何影响？
• RQ4 沿c轴的部分二聚化在驱动CDW形成中起什么作用？
• RQ5 CDW涨落和动态无序在T_CDW以上结构数据中如何表现？

主要发现

• 退火处理成功在FeGe中诱导出长程CDW序，实现了高分辨率结构测定。
• 在T_CDW以上识别出Ge占据无序性，表明正常态中存在动态CDW涨落。
• 沿c轴的Ge原子部分二聚化是驱动CDW形成的主导结构畸变。
• 由于随机选择部分二聚化位点，Ge占据无序性在CDW相中持续存在，表明存在动态无序。
• 单晶X射线衍射揭示的结构模型与观测到的CDW一致，解决了长期存在的模糊性。
• 本研究确立了FeGe中的CDW源于二聚化与无序的协同作用，对非传统CDW行为在几何阻挫kagome体系中的机制具有重要意义。